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20.02.2012

Evolution: Projekt "1KITE" erforscht Stammbaum der Insekten

Der phylogenetische Stammbaum der artenreichsten Organismengruppe, der Insekten, soll in einem großen internationalen Forschungsprojekt „1K Insect Transcriptome Evolution“ anhand der Gendaten von 1.000 (1K) Insektenarten aufgeklärt werden. Das Heidelberger Institut für Theoretische Studien liefert dazu das Computerprogramm.

In einem bisher einmaligen interdisziplinären Projekt haben sich Wissenschaftler aus acht Ländern - Deutschland, China, USA, Österreich, Japan, Australien, Neuseeland und Mexiko - zusammengeschlossen, um die Evolution der artenreichsten Organismengruppe, der Insekten, aufzuklären. Mithilfe von „next generation sequencing“-Technologien und neuer Computerprogramme werden die Transkriptome, das heißt die Gesamtheit aller exprimierten Gene, anhand ihrer ESTs („expressed sequence tags“) von tausend sorgfältig ausgewählten Arten aus allen großen Insektengruppen identifiziert. Die aus den Sequenzierungen gewonnenen Informationen werden - in Verbindung mit den verfügbaren Daten aus den Bereichen der Morphologie, Embryologie, Molekularbiologie sowie Taxonomie und Paläontologie - zur Berechnung der Verwandtschaftsbeziehungen innerhalb der Insekten eingesetzt.

Sprecher des Gesamtprojektes sind Prof. Dr. Bernhard Misof, Leiter des Zentrums für Molekulare Biodiversitätsforschung am Zoologischen Forschungsmuseum Alexander Koenig (ZFMK) in Bonn (wo sich auch das 1KITE-Sekretariat befindet und die Koordination der Sammlung und Auswahl der zu untersuchenden Insektengruppen erfolgt), Prof. Dr. Karl Kjer, Entomologe an der Rutgers University in New Brunswick, NJ, USA, sowie dessen Schüler Prof. Xin Zhou vom Beijing Genomics Institute in Shenzhen, China, wo die Transkriptomsequenzierungen durchgeführt werden. Die Bearbeitung der einzelnen systematischen Gruppen und ihrer phylogenetischen Fragestellungen erfolgt durch renommierte Experten an den fünfzehn beteiligten Forschungsinstituten.

Ordnung bringen in die Vielfalt


Kopf einer Kleinlibelle (Coenagrion-Männchen) mit riesigen Augen. (© Johannes Dambach, ZFMK)

Niemand weiß, wie viele Insektenarten es gibt. Auf dem Internationalen Entomologen-Kongress 2000 in Brasilien wurden die führenden Insektenforscher (Entomologen) der Welt befragt, wie hoch sie die Artenzahl auf unserem Planeten schätzen würden. Die meisten nannten zwischen acht und fünfzehn Millionen - mindestens 90 Prozent davon der Wissenschaft bisher unbekannt. Nicht einmal über die Zahl der bereits beschriebenen Arten besteht Einigkeit; es sollen zwischen 800.000 und 1,2 Millionen sein. Diese Unsicherheit liegt aber nicht an der Unfähigkeit zu zählen oder am Chaos in den Archiven, sondern an dem immer größer werdenden Mangel an Experten, die sich in der überwältigenden Fülle der Insektengruppen so weit auskennen, dass sie die Sammlungen ordnen, Bekanntes von Unbekanntem trennen und Doppelbeschreibungen erkennen können. Zusätzlich sollen diese wenigen Kenner dann auch noch aus der ständig eingesandten Flut an vermuteten Neuentdeckungen die tatsächlich neuen Arten identifizieren und beschreiben.

Die Analyse der Verwandtschaftsbeziehungen zwischen großen systematischen Gruppen ist ohne Computer nicht zu bewältigen. Verschiedene Computerprogramme zur Rekonstruktion von Stammbäumen sind entwickelt worden. Die zeitweise sehr heftige Auseinandersetzung, nach welchen Kriterien dabei vorzugehen sei, ist inzwischen mit der ständig fortschreitenden Verbesserung der Methoden weniger polemisch geworden.

Stamatakis und seine Arbeitsgruppe verwenden für ihre Berechnungen der Insektenstammbäume statistische Methoden nach dem Prinzip der „maximum likelihood". Hierbei errechnet der Computer dasjenige Verzweigungsmuster, das die größte Wahrscheinlichkeit hat, zu der Merkmalskombination der untersuchten systematischen Gruppe zu führen. Das Labor der Scientific Computing-Gruppe am HITS hat Stamatakis  „Exelixis" getauft, das griechische Wort für Evolution. Nach seinen Worten versuchen er und seine Mitarbeiter „die Lücke zwischen der Welt der Systematik und der Welt des Hochleistungs-Computing zu überbrücken."

Stammbäume werden rekonstruiert

Wie ist der Insektenflügel entstanden?

Eines der großen Probleme, die durch 1KITE geklärt werden sollen, betrifft die Abstammung der geflügelten Insekten (Pterygota), die heute die Welt beherrschen, von urtümlichen flügellosen Formen. Von diesen primitiven, zumeist sehr kleinen, unscheinbaren „basalen Hexapoden“ gibt es heute noch fünf Gruppen, deren Verwandtschaftsverhältnisse umstritten sind. Ihre bekanntesten Vertreter sind die Springschwänze, die man oft als schwärzliche hüpfende Punkte an Bachufern beobachten kann, und die Silberfischchen, die man eher nicht so gern in dunklen Ecken von Küchen und Vorratskammern findet. Von beiden Gruppen hat man Fossilien in 400 Millionen Jahre alten Ablagerungen aus dem Devon gefunden. Sie haben sich seit der Zeit, als die Pflanzen das nackte Land besiedelten, morphologisch kaum verändert, können daher zu Recht als „lebende Fossilien“ bezeichnet werden.

Nemoptera bipennis, ein Fadenhaft (Ordnung Neuroptera) mit Schmetterlings-ähnlichen Flügeln.  (© Ekkehard Wachmann, ZFMK)

Insekten mit Flügeln sind erst wesentlich später im Karbon nachgewiesen. Neben Eintagsfliegen und Libellen-artigen Formen gab es auch schon Vertreter modernerer Ordnungen (Schaben, Heuschrecken, Kamelhalsfliegen). Man hat bisher keine direkten Verbindungsglieder zwischen flügellosen und geflügelten Insekten gefunden, eine Lücke, die prompt von den Kreationisten als Beleg angeführt wurde, dass keine Evolution stattfindet.

Unter den Insektenforschern gab es lange heftigen Streit, ob die Insektenflügel aus seitlichen Ausstülpungen des Rumpfes oder aus dem Kiemenast der verzweigten Extremitäten wasserlebender Gliederfüßler entstanden sind. Untersuchungen der Genetik und Embryologie primitiver Fluginsekten  sowie die neue Entdeckung des über 300 Millionen Jahre alten Fossils einer primitiven im Wasser lebenden Nymphe mit flügelartigen Kiemen in allen Rumpfsegmenten haben die Mehrzahl der Wissenschaftler inzwischen von der „Kiementheorie" überzeugt. Aus den Transkriptomanalysen der an der Basis der Pterygota stehenden Libellen erhofft man sich weitere Hinweise auf die Herkunft der Insektenflügel. 

Zahlreiche weitere 1KITE-Teilprojekte befassen sich mit den Verwandtschaftsbeziehungen innerhalb der großen Gruppen der Pterygota. Erst in jüngster Zeit hatten Merkmalsanalysen gezeigt, dass die Termiten, die bisher als eigene Ordnung innerhalb der Insekten mit unvollständiger Metamorphose angesehen worden waren, tatsächlich tief innerhalb der Schaben verwurzelt sind. Weitere überraschende neue  Erkenntnisse von Verwandtschaftsbeziehungen kann man erwarten, wenn die Stammbäume der einzelnen Gruppen aus den umfangreichen Datenmengen des 1KITE-Projekts rekonstruiert werden.

Biodiversitätsforschung

Die Aufklärung des Stammbaums und die korrekte Klassifizierung der großen Insektengruppen ist eine notwendige Voraussetzung zur Beantwortung elementarer Fragen der Evolutionsbiologie, Ökologie und Biodiversitätsforschung, die von der Bundesregierung im „Internationalen Jahr der Biodiversität 2010“ als Forschungsschwerpunkte identifiziert und in einem Bundesprogramm zur Diversitätsforschung von BMBF und BMU gemeinsam im Rahmen der „Nationalen Strategie zur Biologischen Vielfalt“ gefördert werden. Auch die Europäische Union hat in der sogenannten „Potsdam Initiative“ eine globale Studie „The Economics of Ecosystems and Biodiversity (TEEB)“ veranlasst, in der die entscheidende Rolle der Insekten für die meisten Ökosysteme der Erde und die Notwendigkeit der genauen Kenntnis ihrer systematischen Zusammenhänge betont werden. Viele Insektenarten haben für den Menschen eine immense wirtschaftliche und medizinische Bedeutung, zum Beispiel als Bestäuber von Blütenpflanzen, als Überträger von Krankheiten, als Schädlinge oder Schädlingsbekämpfer. Mit dem 1KITE-Projekt erhofft man sich auch Antworten auf die Fragen, warum gerade die Insekten ökologisch so erfolgreich sind und wie ihre enorme Artenvielfalt entstanden ist.
Ein Beitrag von:
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EJ (11.02.2012) - 20.02.2012
© BIOPRO Baden-Württemberg GmbH

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1KITE - 1K Insect Transcriptome Evolution (externer Link, neues Fenster)

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Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS) (externer Link, neues Fenster)

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